Способы бурения скважин. Причины и механизм самопроизвольного искривления скважин

 

1.3.3. Бурение электробуром

     Отечественная промышленность  выпускает электробуры различных типов размеров, конструкции которых аналогичны. Электробур состоит из трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и шпинделя. Шпиндель служит для восприятия реакции забоя при создании нагрузки на долото. Для получения необходимого вращающего момента при небольшом диаметре двигателя (последний ограничен диаметром скважины) увеличивают его длину. Чтобы длинный ротор не искривлялся при вращении, он разделен на ряд секций, центрируемых в статоре радиальными шариковыми подшипниками. Статор также состоит из отдельных пакетов, разделенных магнитопроводным материалом. Вращающий момент с вала двигателя передается валу шпинделя зубчатой муфтой.

     Буровой раствор проходит  через электробур к долоту  по центральному каналу в валах  двигателя и шпинделя. Для предупреждения попадания его в рабочие полости электродвигатель заполняется изоляционным маслом, а шпиндель – смазочным маслом. С помощью лубрикатора поддерживается давление масла на 0,1 – 0,3 МПа больше давления раствора в скважине. На рис. 7.7 приведена схема размещения оборудования для бурения скважин электробуром. Электроэнергия, подаваемая на буровую по линии электропередачи, поступает на распределительное устройство 13 высокого напряжения. Отсюда она через понижающий трансформатор 15 и станцию управления 16 пор наружному кабелю 9 подается на токоприемник 8. Последний передает электроэнергию на кабель 3, расположенный внутри бурильных труб 4. По кабелю электроэнергия поступает к электробуру 2, расположенному вблизи забоя скважины, и преобразуется в механическую энергию для вращения долота 1.

     Кнопки и приборы  станции управления выводятся  на пульт управления 6, с которого  бурильщик управляет работой  электробура. Для опускания бурильной  колонны в процессе бурения  служит автоматический регулятор подачи 14.

     Электроэнергия подается  электробуру по двух- или трехжильному  шланговому кабелю с резиновой  изоляцией, расположенному внутри  бурильных труб типа ЭБШ. При  применении двухжильного кабеля  третьим проводом является колонна  бурильных труб.

Особенности бурения электробуром

     Вследствие ограниченности  диаметра скважины и соответственно  диаметра электробура в нем  удается разместить лишь 4 – 6 пар  полюсов Р. При частоте переменного  тока f = 50 Гц частота вращения вала электробура n изменяется от 660 – 750 об/мин, если Р = 4, до 440 – 500 об/мин, если Р = 6, при изменении скольжения ротора S относительно поля статора , так как частота вращения асинхронного двигателя

.

     Для разбуривания большой группы мягких и средней твердости пластичных абразивных пород, особенно залегающих на большой глубине, эти частоты вращения велики. Поэтому их снижают путем уменьшения частоты тока питания электробура до Гц и применением редукторов.

     Коэффициент передачи  мощности на забой

,

где - мощность на долоте; Nп – мощность, забираемая электробуром из сети, включая потери при токоподводе.

     Мощность, реализуемая  на долоте, может быть выражена через осевую нагрузку G и удельный момент Муд:

,

где NO  - мощность на вращение долота при отсутствии осевой нагрузки.

      Момент на долоте

МД=М1+МУДGi,

М1 – момент на долоте при отсутствии нагрузки.

       При выборе режима бурения добиваются более полного использования мощности электробура. При этом , и их отношение должно быть близко к единице:

.

     Поскольку потребляемый  из сети ток и мощность изменяются  по мере увеличения или уменьшения нагрузки и момента на долоте, при бурении электробуром удобно контролировать отработку долот, проводить различные исследования новых буровых долот и режимов бурения, оперативно устанавливать оптимальный режим, руководствуясь показаниями амперметра на пульте бурильщика.

      При бурении электробуром  в принципе возможно применение  любого бурового раствора и  воздуха. Однако при промывке  аэрированными растворами наблюдаются  частые пробои токоподвода. При  продувке воздухом электродвигатель и долото охлаждаются очень плохо. Поэтому рекомендуется бурить при небольших нагрузках на долото.

      Как и при роторном  бурении, имеются два канала передачи  энергии на забой. На забой  можно подать большую гидравлическую  энергию и можно использовать гидромониторные долота. Однако гидравлические сопротивления в трубах ЭБШ существенно выше, чем в обычных трубах, из–за наличия кабеля и устройств для его подвески. При одинаковых условиях в насадках долота может быть реализован меньший перепад давления.

     В заключение необходимо отметить, что двигатель электробура имеет ряд преимуществ перед турбобуром: более высокий КПД, может обеспечить передачу на долото достаточно больших мощностей и крутящего момента пр приемлемых отношениях M/n.

     Электробур легче управляется с поверхности, обеспечивает применение систем телеконтроля при направленном бурении, бурении горизонтальных и многозабойных скважин, упрощаются автоматизация и оптимизация процесса бурения.

      Однако бурение скважин электробуром в последние годы прекратилось. Это обусловлено тем, что достигнутый уровень механической скорости и проходки на долото при бурении электробуром не выше, чем при бурении гидравлическими забойными двигателями, а забойное и наземное оборудование гораздо сложнее и дороже, очень низка надежность токоподвода, требуется более сложная ремонтная служба и более высокая квалификация работников.

 

2. Причины и механизм самопроизвольного  искривления скважин

При самопроизвольном искривлении ствола:

1. нарушается проектная сетка размещения забоев скважин, что может привести к снижению их суммарного дебита, коэффициента нефтеотдачи пластов, необходимости бурения дополнительных скважин с целью извлечения оставшихся целиков нефти;
2. затрудняется спуск обсадных колонн; в местах наиболее резких искривлений возможно нарушение герметичности их, увеличивается вероятность некачественного цементирования скважин;
3. осложняется добыча нефти, особенно при глубинно-насосной эксплуатации (разрыв штанг, протирание насосных и обсадных труб, увеличение нагрузок на трубы и станки - качалки);
4. образуются желоба, возникают посадки и затяжки бурильной колонны на незакрепленных участках искривленного ствола при спускоподъемных операциях;
5. удлиняется ствол скважины;
6. расходуется больше мощности на вращение бурильной колонны;
7. затрудняется ликвидация аварий;
8. осложняется контроль нагрузки на долото из-за зависания бурильной колонны;
9. затрудняется запуск забойного двигателя;
10. увеличивается стоимость строительства скважины по сравнению со стоимостью условно вертикальной.

Изучение причин искривления скважин показывает, что оно происходит в результате совместного действия большого числа факторов, которые можно объединить в три группы: геологические, технические и технологические. В общем случае все силы, действующие на долото, можно привести к равнодействующей силе и паре сил, момент которых равен главному моменту этих сил относительно центра долота.

     Следует различать  три случая:

1. Все силы можно привести к равнодействующей, направленной под углом к оси долота. При этом под действием боковой составляющей этой силы долото будет прижато к стенке скважины. Интенсивность фрезерования стенки скважины долотом будет тем выше, чем больше прижимающая боковая сила, время фрезерования и меньше твердость пород. Наибольший угол Qmax, на который скважина может отклоняться от своего первоначального положения:

Qmax = arctg ,

где DД и DЗД – диаметры долота и забойного двигателя; lЗД – длина забойного двигателя.

     Особенность искривления  при боковом фрезеровании заключается в том, что может получиться уступ на небольшой длине ствола.

2. Все силы можно привести к равнодействующей, по направлению совпадающей с осью низа бурильной колоны, и к моменту, равному моменту всех сил относительно центра долота. При этом искривление будет происходить вследствие наклонного положения долота относительно оси скважины и асимметричного разрушения забоя. Интенсивность искривления будет определяться главным образом кривизной самого нижнего участка колонны (направляющего участка), которая зависит, в свою очередь, от соотношения поперечных размеров скважины и низа бурильной колонны, ее продольной жесткости и осевой нагрузки.
3. Все силы можно привести к равнодействующей, направленной под углом к оси долота, и к моменту. В этом случае будет наблюдаться фрезерование стенок скважины и асимметричное разрушение забоя. Исследованиями установлено, что для любой компоновки низа бурильной колонны (КНБК) независимо от сочетания диаметров долота и забойного двигателя, а также их длины при отсутствии прогиба забойного двигателя и уширения ствола возможность искривления ствола вследствие фрезерования стенки  почти в 5 раз больше, чем вследствие асимметричного разрушения забоя.

 

2.1. Влияние геологических условий на искривление скважин

     К геологическим условиям, вызывающим искривление ствола скважины, относятся: наклонное залегание пластов, анизотропность горных пород, чередование пород, существенно отличающихся твердостью, трещиноватость, кавернозность, наличие тектонических нарушений, напряженное состояние пород.

     При переходе из  менее твердой породы в более  твердую, если угол встречи долота  с породой меньше, чем так называемый  критический угол, ствол скважины  будет искривляться вниз по  падению пласта вследствие скольжения  долота по плоскости пласта. Угол  встречи при этом будет все уменьшаться. При углах больших, чем критический искривление будет происходить вверх по восстанию пласта, а угол встречи будет возрастать.

     Критический угол  , ориентировочно может быть определен по формуле

     ,

где x – показатель (степень) анизотропности породы, под которым понимают отношение твердостей породы в направлениях, параллельных и перпендикулярных плоскости пласта. Этот показатель изменяется от 1 (для изотропной породы) до 0,57 (для сильно анизотропных пород).

    Анизотропность определяют  иногда как отношение показателей  буримости пород в двух взаимно  перпендикулярных направлениях.

     В наклонно-залегающих  пластах при переходе из твердой  породы в мягкую долото интенсивнее разрушает последнюю, в результате чего искривление происходит в сторону твердой породы, т.е. в направлении, противоположном направлению искривления при входе в более твердую породу. Но так как переход в мягкую породу обычно сопровождается сломом или сколом более твердой породы, то степень искривления при выходе из твердой породы меньше, чем при входе в нее.

     При чередовании различных  по твердости пород возможно  и азимутальное искривление.

     Когда долото встречается  с различного рода всключениями  и пустотами (валуны, гальки, жилы и дайки, полые трещины, карстовые образования), наблюдается незакономерное искривление ствола, обычно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, интенсивность которого выше в мягких и рыхлых породах. Аналогичные незакономерные искривления наблюдаются также при пересечении скважиной участков, подверженным тектоническим движениям и нарушенных различными дизъюнктивными дислокациями.

 

2.2. Влияние технических причин на искривление скважины

     К основным техническим  причинам искривления скважин относятся: применение породоразрушающих инструментов и элементов КНБК, не предусмотренных режимно - технологической картой; эксцентричное или с перекосами отдельных элементов компоновки между собой и с долотом, что обычно обусловливает несоосное со скважиной расположение низа колонны и образование увеличенных и неравномерных зазоров между стенками скважины и КНБК, приводит к усиленной, часто односторонней, разработке стенок скважины, асимметричному разрушению забоя и, в конечном счете, к необоснованному искривлению ствола скважины.

     Несоосность низа  бурильной колонны в скважине  при переходе с большего диаметра  на меньший вызывает эксцентричное  продолжение ствола меньшего  диаметра, а при расширении ствола  – отклонение его от первоначального направления. Бурение с эксцентрично навинченным долотом, с погнутыми ведущими трубами может способствовать интенсивному разбуриванию стенок скважины. Применение коротких турбобуров, турбодолот или других забойных двигателей в часто перемежающихся по твердости, а также в неоднородных и анизотропных породах также приводит к искривлениям.

      Следует отметить, что нередко ствол скважины  может искривляться еще в самом  начале бурения. К техническим  причинам, вызывающим начальное  искривление скважин, относятся: несовпадение осей вышки, стола ротора и шахтного направления; негоризонтальность стола ротора, искривленность ведущей трубы.